CH635948A5 - POSITION CONTROL DEVICE. - Google Patents
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Description
La présente invention concerne un dispositif d'asservissement de position, en particulier pour commander la position angulaire d'un organe. The present invention relates to a position servo device, in particular for controlling the angular position of a member.
Il est courant que les informations de commande de la position d'un organe de réglage soient élaborées sous forme numérique. Le traitement d'informations numériques apporte, par rapport aux signaux analogiques, les avantages de la précision et de la stabilité. It is common for the information for controlling the position of an adjustment member to be produced in digital form. The processing of digital information brings, compared to analog signals, the advantages of precision and stability.
Il est donc souhaitable de disposer d'un dispositif d'asservissement qui puisse prendre en compte directement des informations de consigne numérique, sans passer par la conversion analogique. D'une façon plus générale, il est souhaitable de réaliser sous forme numérique la plus grande partie du traitement du signal. It is therefore desirable to have a servo device which can directly take into account digital setpoint information, without going through analog conversion. More generally, it is desirable to carry out most of the signal processing in digital form.
Dans cette optique, il a été proposé, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 227 863, de réaliser un dispositif d'asservissement du type comportant With this in mind, it has been proposed, in US Pat. No. 3,227,863, to produce a servo device of the type comprising
— un premier générateur délivrant un premier et un second s signal identiques déphasés l'un par rapport à l'autre de 90°, A first generator delivering a first and a second identical signal phase shifted relative to each other by 90 °,
— un capteur de position angulaire du type résolveur ayant un rotor couplé à un organe dont la position angulaire est à commander, deux entrées reliées au premier générateur pour recevoir respectivement le premier et le second signal, et une io sortie délivrant un signal de mesure dont la phase est représentative de la position angulaire réelle dudit organe, - an angular position sensor of the resolver type having a rotor coupled to a member whose angular position is to be controlled, two inputs connected to the first generator to receive the first and the second signal respectively, and an io output delivering a measurement signal, the phase is representative of the real angular position of said organ,
— un second générateur recevant une information numérique de consigne sous forme d'un mot binaire et délivrant un signal de consigne de même fréquence que le premier et le A second generator receiving digital setpoint information in the form of a binary word and delivering a setpoint signal of the same frequency as the first and the
15 second signal et ayant une phase représentative de la position angulaire désirée dudit organe, 15 second signal and having a phase representative of the desired angular position of said member,
— un générateur de signal d'écart relié à la sortie du capteur et au second générateur pour délivrer un signal d'écart représentatif du déphasage entre le signal de mesure et le signal de A deviation signal generator connected to the output of the sensor and to the second generator for delivering a deviation signal representative of the phase shift between the measurement signal and the signal
20 consigne, et 20 instructions, and
— un dispositif de commande pour commander la position angulaire dudit organe en fonction du signal d'écart. - A control device for controlling the angular position of said member as a function of the deviation signal.
Dans ce dispositif d'asservissement connu, des signaux rectangulaires, dérivés d'une horloge par division de fréquence, 25 sont appliqués directement au résolveur. Il en résulte une taux élevé d'harmoniques dans le signal de mesure, au point qu'il est nécessaire de le filtrer avant utilisation. In this known servo device, rectangular signals, derived from a frequency division clock, are applied directly to the resolver. This results in a high level of harmonics in the measurement signal, to the point that it is necessary to filter it before use.
On sait qu'il n'existe pas de filtres passebas parfaits procurant une coupure totale et franche et ne provoquant pas de 30 déphasage jusqu'à la fréquence de coupure. Il en résulte donc nécessairement que la phase du signal de mesure est affectée par le déphasage du filtre, lequel déphasage est particulièrement instable, en particulier en fonction de la température. Le gain en précision et en stabilité espéré du fait de la réalisation sous 35 forme numérique d'une partie du traitement de signal et le gain en précision recherché par le filtrage se trouvent alors en grande partie anéantis par les perturbations apportées par le filtre. It is known that there are no perfect low-pass filters providing a complete and frank cut-off and not causing a phase shift up to the cut-off frequency. It therefore necessarily follows that the phase of the measurement signal is affected by the phase shift of the filter, which phase shift is particularly unstable, in particular as a function of the temperature. The gain in precision and stability expected due to the digital form of part of the signal processing and the gain in precision sought by the filtering are then largely destroyed by the disturbances brought about by the filter.
L'invention a alors pour but de réaliser un dispositif d'asservissement dans lequel le traitement de signal est réalisé pour une 40 grande part de façon numérique sans que cela nécessite, pour une bonne exploitation du signal de mesure, de prévoir un filtrage de ce dernier. The object of the invention is therefore to provide a servo device in which the signal processing is carried out for the most part digitally without this requiring, for proper exploitation of the measurement signal, to provide a filtering of this latest.
Ce but est atteint par un dispositif d'asservissement du type défini ci-avant, dans lequel, conformément à l'invention: 45 - chacun des premier et second signaux engendrés par le premier générateur est une approximation numérique d'un signal sinusoïdal en étant constitué d'alternances comprenant chacune une pluralité de paliers, de manière à avoir un taux d'harmoniques réduit, et 50 - le générateur de signal d'écart compare la phase du signal de sortie du capteur non filtré directement à la phase du signal de consigne. This object is achieved by a servo device of the type defined above, in which, in accordance with the invention: 45 - each of the first and second signals generated by the first generator is a digital approximation of a sinusoidal signal by being consisting of alternations each comprising a plurality of stages, so as to have a reduced harmonic ratio, and 50 - the deviation signal generator compares the phase of the output signal of the unfiltered sensor directly with the phase of the signal instructions.
Selon une particularité du dispositif d'asservissement conforme à l'invention, le générateur de signal d'écart comporte un 55 démodulateur synchrone qui reçoit un signal de commande de fréquence égale à celle du signal de consigne, en phase avec celui-ci, et formé d'impulsions rectangulaires de durée égale à la moitié de leur période, de manière, au cours de demi-périodes successivement du signal de commande, à faire passer d'une 60 valeur positive à la valeur négative opposée le gain entre une entrée du démodulateur recevant le signal de mesure et une sortie du démodulateur reliée à la sortie du générateur de signal d'écart. According to a particular feature of the servo device according to the invention, the deviation signal generator comprises a synchronous demodulator which receives a control signal of frequency equal to that of the setpoint signal, in phase with the latter, and formed of rectangular pulses of duration equal to half their period, so as, during successive half-periods of the control signal, to pass from a positive value to the negative value opposite the gain between an input of the demodulator receiving the measurement signal and an output of the demodulator connected to the output of the deviation signal generator.
Le signal d'écart peut alors être élaboré en prenant la valeur 65 moyenne du sginal fourni à la sortie du démodulateur. The deviation signal can then be produced by taking the mean value 65 of the sginal supplied at the output of the demodulator.
D'autres particularités et avantages du dispositif conforme à l'invention rassortiront à la lecture de la description d'un mode particulier de réalisation de ce dispositif, description faite ci- Other features and advantages of the device according to the invention will reassure on reading the description of a particular embodiment of this device, description given below.
3 3
635 948 635,948
après à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins joints qui illustrent: after for information, but not limitation, with reference to the accompanying drawings which illustrate:
- figure 1 : un schéma-bloc d'un mode de réalisation d'un dispositif d'asservissement conforme à l'invention, - Figure 1: a block diagram of an embodiment of a servo device according to the invention,
- figure 2: un schéma d'un mode de réalisation d'un circuit du générateur du dispositif de la figure 1, FIG. 2: a diagram of an embodiment of a circuit of the generator of the device of FIG. 1,
- figures 3A à 3G: des diagrammes de signaux fournis par les circuits du dispositif représenté par la figure 1, FIGS. 3A to 3G: diagrams of signals supplied by the circuits of the device represented by FIG. 1,
- figure 4 et 5 : deux vues très schématiques en coupe longitudinale et en coupe transversale du montage du dispositif dont le schéma est donné par la figure 1, et FIG. 4 and 5: two very schematic views in longitudinal section and in cross section of the mounting of the device, the diagram of which is given in FIG. 1, and
- figure 6: une vue de la courbe illustrant les variations du couple du moteur de commande du montage illustré par la figure 5, en fonction de la position angulaire du rotor de ce moteur. - Figure 6: a view of the curve illustrating the variations in the torque of the mounting control motor illustrated in Figure 5, as a function of the angular position of the rotor of this motor.
Le dispositif illustré par le schéma de la figure 1 comporte une horloge 10, un diviseur de fréquence 11 recevant les impulsions de l'horloge 10, un générateur 12 recevant le signal de sortie du diviseur 11 et comportant deux circuits 12a, 12b délivrant un signal SIN (sinus) et un signal COS (cosinus) déphasés l'un par rapport à l'autre de 90°. Les signaux SIN et COS sont appliqués aux enroulements statoriques 14,15 d'un résolveur 13. Le rotor du résolveur 13 est solidaire en rotation d'un organe dont la position angulaire autour de son axe 21 est à commander. Un signal de mesure SM, dont la phase est représentative de la position angulaire dudit organe, est fourni aux bornes de l'enroulement de sortie du résolveur et est appliqué à une entrée 18a d'un générateur 18 de signal d'écart SE. L'autre entrée 18b du générateur 18 reçoit un signal de consigne SC dont la phase est représentative de la position angulaire désirée dudit organe et qui est délivré par un générateur 17 auquel sont appliquées les impulsions de l'horloge 10. Le générateur 17 reçoit l'information de consigne (position angulaire désirée) The device illustrated by the diagram in FIG. 1 comprises a clock 10, a frequency divider 11 receiving the pulses from the clock 10, a generator 12 receiving the output signal from the divider 11 and comprising two circuits 12a, 12b delivering a signal SIN (sine) and a COS signal (cosine) phase shifted relative to each other by 90 °. The signals SIN and COS are applied to the stator windings 14, 15 of a resolver 13. The rotor of the resolver 13 is integral in rotation with a member whose angular position around its axis 21 is to be controlled. A measurement signal SM, the phase of which is representative of the angular position of said member, is supplied at the terminals of the output winding of the resolver and is applied to an input 18a of a generator 18 of the difference signal SE. The other input 18b of the generator 18 receives a reference signal SC whose phase is representative of the desired angular position of said member and which is delivered by a generator 17 to which the pulses of the clock 10 are applied. The generator 17 receives l setpoint information (desired angular position)
sous forme numérique (mot binaire C). Le signal d'écart fourni en sortie du générateur 18 est amplifié par un amplificateur 19 pour actionner un moteur 20 qui commande le déplacement dudit organe pour faire coïncider sa position angulaire réelle avec la position angulaire désirée. in digital form (binary word C). The difference signal supplied at the output of the generator 18 is amplified by an amplifier 19 to actuate a motor 20 which controls the movement of said member to make its actual angular position coincide with the desired angular position.
Le dispositif d'asservissement et son fonctionnement seront décrits ci-après plus en détail. On se référera aux figures 1,2 et 3A à 3G. The servo device and its operation will be described below in more detail. Reference is made to FIGS. 1, 2 and 3A to 3G.
L'horloge 10 est un générateur à haute fréquence stabilisée par quartz qui délivre un signal SO appliqué au diviseur 11. Ce dernier fournit un signal SI à fréquence Fl (figure 3A). The clock 10 is a high frequency generator stabilized by quartz which delivers a signal SO applied to the divider 11. The latter provides a signal SI at frequency F1 (FIG. 3A).
Le circuit 12a du générateur 12 comporte, de façon connue en soi, un réseau de résistance RI à R6 qui ont un point commun formant la sortie du circuit 12a où apparaît le signal SIN. Les autres bornes des résistances RI à R6 reçoivent des signaux respectivement VI à V6 (figure 2) obtenus à partir du signal SI. Les signaux SI et VI à V6 sont formés d'impulsions de fréquence Fl et de durée égale à la moitié de leur période. Ces signaux VI à V6 sont décalés les uns des autres d'une durée t. The circuit 12a of the generator 12 comprises, in a manner known per se, a resistance network RI to R6 which have a common point forming the output of the circuit 12a where the signal SIN appears. The other terminals of the resistors RI to R6 receive signals respectively VI to V6 (FIG. 2) obtained from the signal SI. The signals SI and VI to V6 are formed by pulses of frequency F1 and of duration equal to half of their period. These signals VI to V6 are offset from each other by a duration t.
Le signal SIN obtenu (figures 2 et 3B) est un signal d'allure sinusoïdale, de fréquence Fl et dont chaque alternance est formée de plusieurs paliers. Dans l'exemple illustré, une double alternance est formée de 12 paliers différents du fait que l'on utilise un jeu de six résistances. La durée t est alors égale à l/12e de la période du signal SI. Le signal SI étant utilisé The signal SIN obtained (FIGS. 2 and 3B) is a signal of sinusoidal shape, of frequency F1 and of which each alternation is formed by several stages. In the example illustrated, double alternation is formed by 12 different stages because a set of six resistors is used. The duration t is then equal to 1/12 of the period of the signal SI. The SI signal being used
19t comme référence de phase, le signal VI est retardé de — 19t as phase reference, signal VI is delayed by -
par rapport au signal SI de manière que les signaux SI et SIN soient en phase. with respect to the signal SI so that the signals SI and SIN are in phase.
Les valeurs des résistances sont déterminées pour conférer aux différents paliers des hauteurs telles que la forme du signal approche au mieux celle d'un signal sinusoïdal. Le taux d'harmoniques contenus dans le signal SIN peut être très réduit. D'une façon générale, si 2p est le nombre de paliers utilisés pour former une double alternance, il peut ne subsister que les har-5 moniques de rang k (2p) ± 1, k étant un nombre entier. The resistance values are determined to give the different levels heights such that the shape of the signal best approaches that of a sinusoidal signal. The level of harmonics contained in the SIN signal can be greatly reduced. In general, if 2p is the number of steps used to form a double alternation, there may only remain the harmonics of rank k (2p) ± 1, k being an integer.
Le circuit 12b, analogue au circuit 12a, engendre le signal COS (figure 3C) qui correspond au signal SIN décalé de 90°. The circuit 12b, analogous to the circuit 12a, generates the signal COS (FIG. 3C) which corresponds to the signal SIN offset by 90 °.
Le signal SM (figure 3D) en sortie du resolver 13, utilisé en déphaseur, est déphasé par rapport au signal SIN d'une quantité io ©m représentative de l'angle mécanique du rotor de résolveur. The signal SM (FIG. 3D) at the output of the resolver 13, used as a phase shifter, is phase shifted with respect to the signal SIN by an amount io © m representative of the mechanical angle of the resolver rotor.
Le générateur 17 comporte un compteur-décompteur 17a dont la capacité est déterminée de manière que les impulsions de l'horloge H lui fassent accomplir des cycles de comptage (ou décomptage) successifs à la fréquence FI. Le compteur-dé-15 compteur 17a forme diviseur de fréquence et délivre le signal SC à la fréquence Fl (figure 3E). Le déphasage ©c entre le signal SC et le signal SI est déterminé par pré-réglage initial du compteur-décompteur à une valeur correspondant au mot binaire C. Ce dernier est, par exemple, stocké dans un registre 17b 20 connecté au compteur-décompteur 17a. The generator 17 comprises an up-down counter 17a, the capacity of which is determined so that the pulses of the clock H cause it to complete successive counting (or down-counting) cycles at the frequency FI. The counter-counter 15a forms a frequency divider and delivers the signal SC at the frequency F1 (FIG. 3E). The phase shift © c between the signal SC and the signal SI is determined by initial presetting of the up-down counter to a value corresponding to the binary word C. The latter is, for example, stored in a register 17b 20 connected to the up-down counter 17a.
Le signal SC est formé d'impulsions rectangulaires de durée égale à la moitié de leur période et est appliqué au générateur 18. The signal SC is formed of rectangular pulses of duration equal to half their period and is applied to the generator 18.
Le générateur 18 comporte un démodulateur 18c dont le 25 gain, entre son entrée 18a recevant le signal SM et sa sortie 18a délivrant un signal SD (figure 3F), passe alternativement d'une valeur positive à la valeur négative opposée (de +1 à — 1 par exemple) au cours des demipériodes successives du signal SC qui constitue le signal de commande du démodulateur. 30 Un circuit 18d reçoit le signal SD, en élabore la valeur moyenne en délivre le signal d'écart SE sous forme d'un signal continu dont l'amplitude est égale à ou proportionnelle à cette valeur moyenne (figure 3G). Il est en effet apparent que la différence entre les déphasages 0m et 0C est proportionnelle à la valeur 35 moyenne du signal SD. The generator 18 includes a demodulator 18c, the gain of which, between its input 18a receiving the signal SM and its output 18a delivering a signal SD (FIG. 3F), alternately passes from a positive value to the opposite negative value (from +1 to - 1 for example) during successive half-periods of the signal SC which constitutes the demodulator control signal. A circuit 18d receives the signal SD, develops the average value from it delivers the difference signal SE in the form of a continuous signal whose amplitude is equal to or proportional to this average value (FIG. 3G). It is indeed apparent that the difference between the phase shifts 0m and 0C is proportional to the average value of the signal SD.
Le faible taux d'harmoniques contenus dans les signaux SIN et COS et, par voie de conséquence, dans le signal SM fait qu'il est possible de comparer la phase de ce dernier au signal de consigne SC sans filtrage préalable susceptible d'introduire des 40 déphasages parasites. The low level of harmonics contained in the signals SIN and COS and, consequently, in the signal SM makes it possible to compare the phase of the latter with the setpoint signal SC without prior filtering capable of introducing 40 parasitic phase shifts.
En outre, l'utilisation d'un résolveur à transformateur tournant comme capteur de position élimine d'avoir recours à un contact électrique glissant ou tournant susceptable d'amoindrir le fiabilité du système. In addition, the use of a rotating transformer resolver as a position sensor eliminates the need for a sliding or rotating electrical contact liable to reduce the reliability of the system.
45 Cette fiabilité est encore accrue en utilisant un moteur 20 à courant continu, oscillant sans balais avec un débattement angulaire limité (par exemple 60° de part et d'autre d'une position centrale). This reliability is further increased by using a direct current motor 20, oscillating without brushes with a limited angular movement (for example 60 ° on either side of a central position).
Le rotor du moteur est constitué par un aimant permanent 50 21 (fi gures 4,5) et le stator 22 est un tore en matériau ferromagnétique sur lequel sont bobinés des conducteurs 23,24 dans lesquels les courants sont de directions opposées. The motor rotor is constituted by a permanent magnet 50 21 (FIGS. 4.5) and the stator 22 is a toroid made of ferromagnetic material on which are wound conductors 23, 24 in which the currents are in opposite directions.
Un tel moteur peut présenter une courbe caractéristique de couple telle que celle de la figure 6. Le débattement de ±60° est 55 suffisant dans de nombreuses applications, en particulier par exemple pour commander la position angulaire d'une came. Such a motor can have a characteristic torque curve such as that of FIG. 6. The clearance of ± 60 ° is sufficient in many applications, in particular for example to control the angular position of a cam.
Le résolveur 13 est fixé mécaniquement au carter 25 du moteur 20, l'axe de sortie du résolveur se prolongeant à l'extérieur du résolveur pour former l'arbre du moteur. The resolver 13 is mechanically fixed to the casing 25 of the motor 20, the output axis of the resolver extending outside the resolver to form the motor shaft.
60 Ainsi est évitée toute imprécision pouvant résulter d'un accouplement susceptible d'introduire un jeu. 60 This avoids any imprecision that could result from a coupling that could introduce play.
Un boîtier 26 sur lequel s'appuie le stator 22 contient les composants électroniques du dispositif d'asservissement. A housing 26 on which the stator 22 rests contains the electronic components of the servo device.
2 feuilles dessins 2 drawings sheets
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1979
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